DE102004034708A1 - Process for the batch production of polymers by melt condensation - Google Patents
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Abstract
Description
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur absatzweisen Herstellung von hochmolekularen Polyphosphonaten, Polysulfonen, Polyarylaten, Polyamiden, Polyarylenethern oder Polyetherketonen durch Schmelzekondensation einer Hydroxyl-, Carboxyl-, Anhydrid-, Phosphorsäure-, Phosphono-, Phosphonat-, Phosphino-, Phosphinat-, Carbonyl-, Sulfonyl-, Sulfonat-, Siloxan- oder Aminogruppen tragenden monomeren Verbindung mit sich selbst oder mit mindestens einem Diphenol, Dialkohol, Diamin oder einer Dicarbonatkomponente.object The invention relates to a process for the batch production of high molecular weight polyphosphonates, polysulfones, polyarylates, polyamides, Polyarylene ethers or polyether ketones by melt condensation a hydroxyl, carboxyl, anhydride, phosphoric, phosphono, phosphonate, Phosphino, phosphinate, carbonyl, sulfonyl, sulfonate, siloxane or amino groups bearing monomeric compound with itself or with at least one diphenol, dialcohol, diamine or a Dicarbonate.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen von Polymeren und Copolymeren mit lang- und/oder kurzkettigen Einfach oder Mehrfachverzweigungen, die sternförmige, kammartige, strauchartige, baumartige oder dendrimerförmige Verzweigungsstrukturen in regelmäßiger oder statistischer Verteilung aufweisen.The Invention also relates a process for the preparation of polymers and copolymers with long and / or short-chain single or multiple branches, the star-shaped, comb-like, shrubby, tree-like or dendrimer-shaped branching structures in regular or statistical distribution.
Bei
dem aus der
Es ist deshalb verständlich, dass die Übertragung eines im Labormaßstab durchgeführten Verfahrens auf technische Produktionsanlagen meist nicht direkt erfolgen kann und Änderungen im Verfahrensablauf zwingend notwendig werden. In vielen Fällen, insbesondere bei der Herstellung von Polymeren, kann es nicht in Kauf genommen werden, mit längeren Verweilzeiten zu arbeiten, da es dann bei den üblicherweise angewendeten hohen Temperaturen zu Zersetzungen und Abbaureaktion des Polymeren kommt.It is therefore understandable that the transmission one on a laboratory scale conducted Procedure on technical production equipment usually not directly can be done and changes become imperative in the course of the procedure. In many cases, in particular in the production of polymers, it can not be accepted be, with longer Dwell time to work, as it then at the commonly used high Temperatures to decomposition and degradation reaction of the polymer comes.
Es stellte sich deshalb die Aufgabe, die vorstehend genannten Nachteile dadurch zu vermeiden, dass der Ablauf des Verfahrens und die Konstruktion der hierfür eingesetzten Vorrichtung so aufeinander abgestimmt werden, dass es nicht zu Zersetzungen und Abbaureaktionen des Polymeren kommt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich deshalb dadurch aus, dass bei kurzen Verweilzeiten unter Vakuum die durch Schmelzekondensation aus Monomeren hergestellten Polymere praktisch keine Verfärbungen und keinen Gelgehalt aufweisen. Dies wird dadurch erreicht, dass in einem mehrstufigen Verfahren zuerst bei niedrigen Temperaturen unter geringer thermischer Belastung ein Vorkondensat erzeugt wird, das dann bei höheren Temperaturen in speziellen Reaktoren einer Poly- und Endkondensation unterworfen wird.It therefore set itself the task of the disadvantages mentioned above thereby avoiding the expiration of the procedure and the construction of the therefor used apparatus are coordinated so that it does not come to decomposition and degradation reactions of the polymer. The inventive method is characterized by the fact that with short residence times under vacuum, the produced by melt condensation of monomers Polymers virtually no discoloration and have no gel content. This is achieved by that in a multi-step process first at low temperatures under low thermal load a precondensate is generated, then at higher Temperatures in special reactors of a poly- and final condensation is subjected.
Es hat sich gezeigt, dass die bei der absatzweise betriebenen Vorkondensation und bezüglich Umsatz und Verweilspektrum von Schmelzen bewährten Rühr kessel oder Rührkesselkaskaden für hochviskose Produkte nicht die optimale Lösung darstellen. Zu berücksichtigen ist auch, dass bei sehr großen Reaktionsvolumina die Wirksamkeit des Rührers und die eine Umlaufströmung behindernden Einbauten ebenfalls einen wesentlichen Einfluss auf die Verteilung der Monomeren und der Polykondensate im Reaktionsraum haben. Bei Polymerisationen mit Neigung zu Nebenreaktionen, die im besonderen die Farbqualität verschlechtern, ist ein zu langes Verweilen in schlecht durchströmten Reaktoren und an Wärmeaustauscherflächen schädlich. Ist die Verweilzeit an solchen Stellen zu lang, tritt insbesondere bei Polykondensationsreaktionen in Konkurrenz zum Kettenwachstum ein Abbau an den Polymerketten auf.It has been shown that in the batch operated pre-condensation and in terms of sales and range of proven melting tanks or stirred tank cascades for high viscosity Products are not the optimal solution represent. To be considered is also that at very large Reaction volumes hampered the effectiveness of the stirrer and the circulating flow Built-ins also have a significant impact on distribution have the monomers and the polycondensates in the reaction space. at Polymerizations prone to side reactions, in particular the color quality worsen, is too long a stay in poorly flown reactors and harmful to heat exchange surfaces. is the residence time at such sites too long, especially occurs Polycondensation reactions in competition with chain growth Degradation on the polymer chains.
Die meisten Kunststoffe weisen die unangenehme Eigenschaft auf, im Brandfalle zu schmelzen und abzutropfen.The Most plastics have the unpleasant property, in case of fire to melt and drain.
Diese Nachteile lassen sich durch den Einbau von Verzweigermolekülen in die Polymerkette und in die Verzweigungen vermeiden. Durch Zugabe von Verzweigern können die rheologischen Eigenschaften derart verändert werden, dass ein Abtropfen unter Hitzeeinwirkung nicht mehr stattfinden kann.These disadvantages can be avoided by the incorporation of branching molecules in the polymer chain and in the branches. By adding branching agents, the rheological properties can be changed such that dripping can no longer take place under the influence of heat.
Außerdem lassen sich durch die Zahl und die Art der Verzweigungspunkte kamm-, strauch-, und/oder sternartige Polymergerüste erzeugen, denen spezielle Eigenschaften anhaften. So sind insbesondere wenige langkettige Verzweigungen geeignet, das rheologische Erholungsholungsvermögen beim Folienblasen, auch als Zwiebelbildung bezeichnet, dahingehend günstig zu beeinflussen, dass sich besonders dünne und stabile Filme ausziehen oder Stegglasplatten extrudieren lassen.In addition, let by the number and type of branch points comb, shrub, and / or star-like polymer scaffolds generate special properties that adhere to it. So are in particular few long-chain branches suitable, the rheological recovery in the Film bubbles, also referred to as onion formation, to this effect favorable influence that particularly thin and stable films take off or extrude web glass plates.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Polyphosphonate, Polysulfone, Polyarylate, Polyamide, Polyarylenether oder Polyetherketone mit möglichst einheitlicher und enger Molekulargewichtsverteilung durch Schmelzekondensation zu erzeugen. Die erhaltenen Produkte sollen keine schwarzen Partikel, höchstens eine ganz geringe Gelbfärbung und trotz lang- oder kurzkettiger Verzweigungen praktisch keinen Gelgehalt aufweisen.Of the Invention is based on the object polyphosphonates, polysulfones, Polyarylates, polyamides, polyarylene ethers or polyether ketones with preferably uniform and narrow molecular weight distribution by melt condensation to create. The resulting products should not contain black particles, at the most a very slight yellowing and despite long- or short-chain branches virtually none Have gel content.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur absatzweisen Herstellung von hochmolekularen Polyphosphonaten, Polysulfonen, Polyarylaten, Polyamiden, Polyarylenethern oder Polyetherketonen durch Schmelzkondensation einer Hydroxyl-, Carboxyl-, Anhydrid-, Phosphorsäure-, Phosphono-, Phosphonat-, Phosphino-, Phosphinat-, Carbonyl-, Sulfonyl-, Sulfonat-, Siloxan- oder Aminogruppen tragenden monomeren Verbindung mit sich selbst oder mit mindestens einem Diphenol, Dialkohol, Diamin oder einer Dicarbonatkomponente bei dem man
- a) in einem
absatzweise betriebenen ersten Reaktor
1 in Gegenwart eines Veresterungs- und Umesterungskatalysators eine Veresterung oder Umesterung sowie eine Vorkondensation durchführt; - b) dann in einem absatzweise betriebenen Zwischenreaktor
6 , ggf. unter Zugabe eines oder mehrerer weiterer Monomerer, eines weiteren Katalysators und Additiven eine Polykondensation bis zum Erreichen eines vorbestimmten Polykondensations- oder Viskositätsgrades vornimmt und schließlich - c) in einem absatzweise betriebenen Endreaktor
12 die Kondensation bis zum Erreichen des gewünschten Polykondensations- oder Viskositätsgrades fortsetzt und gegebenenfalls Verzweigermoleküle, die mehr als zwei funktionelle Gruppen aufweisen, • vor oder während der Veresterung oder Umesterung im Reaktor1 , • vor oder während der Polykondensation im Zwischenreaktor6 oder • vor oder während der Polykondensation im Endreaktor12 zusetzt,
- a) in a batchwise operated first reactor
1 in the presence of an esterification and transesterification catalyst performs an esterification or transesterification and a precondensation; - b) then in a batchwise operated intermediate reactor
6 , optionally with the addition of one or more further monomers, a further catalyst and additives performs a polycondensation until reaching a predetermined degree of polycondensation or viscosity and finally - c) in a batchwise operated end reactor
12 the condensation continues until the desired degree of polycondensation or viscosity has been reached and optionally branching molecules which have more than two functional groups, before or during the esterification or transesterification in the reactor1 , • before or during the polycondensation in the intermediate reactor6 or • before or during polycondensation in the final reactor12 adding,
Unter
den gegebenen Bedingungen entstehen dabei im Zwischenreaktor
Dieses
Verfahren wird beispielhaft durch die
Dabei
fördert
man den oder die Monomeren absatzweise über Füllschleusen unter inerter Atmosphäre in Monomervorlagen
(in den Fig. nicht abgebildet). Von diesen Vorlagen aus werden dann
fest vorgegebene, durch die Menge des absatzweise herzustellenden
Polymers bestimmte Massen, soweit sie bei der Umgebungstemperatur
als Feststoff vorliegen, als pulverförmige Monomere in den ersten
Reaktor
In
der Veresterungs- und/oder Umesterungsstufe im Reaktor
Die
während
dieser Nach- und/oder Folgereaktion mit dem vorreagierten Produkt
frei werdenden zusätzlichen
Spaltprodukte enthalten auch noch Anteile der zugegebenen Monomere.
Um eine wirtschaftliche Nutzung dieser meist sehr kostspieligen Produkte
zu gewährleisten
und sie nicht aus einer starken Verdünnung mit den Spaltprodukten
zurückgewinnen
zu müssen,
werden die Brüden
einer Rektifikationskolonne
Das
aus diesem Reaktor erhaltene Polymer gelangt gemäß
Das
in
Abweichend
von dem bei
In
der Veresterungs- und/oder Umesterungsstufe im Reaktor
Die
während
dieser Nach- und/oder Folgereaktion mit dem vorreagierten Produkt
frei werdenden zusätzlichen
Spaltprodukte werden ebenfalls kondensiert und im Behälter
Die
aus dem Reaktor
Abweichend
von dem bei
In
der Veresterungs- und/oder Umesterungsstufe im Reaktor
Die
während
dieser Nach- und/oder Folgereaktion mit dem vorreagierten Produkt
freiwerdenden zusätzlichen
Spaltprodukte werden der Rektifikation
Die
aus dem Reaktor
Für die erfindungsgemäße Herstellung von Polykondensaten kommen beispielsweise monomere Phosphatkomponenten, Dihydroxydiphenyl und andere Bisphenole und Diphenylester der Methylphosphonsäure in Frage. Für die Diphenol- oder Dialkoholkomponente eignen sich besonders die im Handel unter dem Namen „Bisphenol A bis F" bekannten Diphenole, jedoch können auch andere Diphenole eingesetzt werden.For the preparation according to the invention for example, polycondensates contain monomeric phosphate components, Dihydroxydiphenyl and other bisphenols and diphenyl esters of methylphosphonic in question. For the Diphenol or dialcohol component are particularly suitable in the trade under the name "bisphenol A to F "known Diphenols, however, can also other diphenols are used.
Als
Umesterungskatalysatoren sind metallorganische Verbindungen wie
Zinkazetat oder Natriumphenolat geeignet, die zum Beispiel in der
Wesentlichen
Einfluss auf die Produkteigenschaften haben bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die in den verschiedenen Reaktoren angewendeten Tem peraturen und
Drucke. Hierbei wird die Qualität
des erfindungsgemäß erhaltenen
Polykondensats von der Form des Reaktors in entscheidender Weise
beeinflusst, da von ihr die Verweilzeit, der Stoffaustausch, die
Oberflächenerneuerungseigenschaft
und das Selbstreinigungsverhalten abhängen, die in besonderer Weise
die Eigenschaften des Polykondensats bestimmen. Für den ersten
Schritt, das Aufschmelzen, das Erreichen des stöchiometrischen Verhältnisses
der Monomeren, die Katalysatorzugabe und die beginnende Reaktion
sind gerührte
Kessel oder Kaskaden gut geeignet. Für die danach einsetzende Polykondensation,
bei der mit zunehmendem Kettenwachstum immer zäher werdende Produkte entstehen,
sind diese nur bedingt und nur nach Einbau von speziellen Mischelementen
und nach Anpassung des Rührorgans
an die sich wandelnden Polymereigenschaften geeignet. Für die sich
bei zunehmender Kondensation und ansteigender Kettenlänge kontinuierlich ändernden
Eigenschaften des Produkts sind als Zwischenreaktor oder auch als
Endreaktor die in der
Für die Herstellung
von Polymeren, denen durch Hinzufügen eines weiteren Monomers
eine vom Grundgerüst
abweichende Struktur zukommt, kann man verschiedene Verfahren nutzen.
Eine erfindungsgemäß vorgesehene
Verfahrensvariante sieht vor, dass während der im Zwischenreaktor
Eine dreistufige Verfahrensführung hat den Vorteil, dass man die Temperatur in den nachfolgenden Reaktoren stufenweise anheben und damit auch den zum Absaugen der Spaltprodukte notwendigen Unterdruck regulieren und wirtschaftlichen Gesichtspunkten anpassen kann. Dadurch können zu Beginn der Polykondensation bei kurzen Ketten der Moleküle und bei einem noch niedrigen Polymerschmelzpunkt niedrige Anfangstemperaturen eingestellt werden. Auch entstehen zu Beginn der Polykondensation große Mengen an Spaltprodukten und es ist apparativ und wirtschaftlich vorteilhaft, diese mit nur geringem Unterdruck abzusaugen, wobei man auch mit kostengünstigeren Pumpen oder Saugstrahlern arbeiten kann. In der Praxis haben sich für dieses Absaugen Dampf- oder Flüssigkeitsstrahler als besonders betriebssicher erwiesen, während der Betrieb mit mechanischen Gebläsen hohe Investitionskosten verursacht, aber höchste Energieeffizienz bietet. Die Zugabe eines Verzweigers in dieser Phase führt zu langkettigen Verzweigungen, die ihrerseits wieder Verzweigungen aufweisen und so dendrimerartige oder baumartige Struktur aufweisen können.A three-stage process procedure has the advantage that it is possible to gradually raise the temperature in the downstream reactors and thus also to regulate the vacuum necessary for sucking off the cleavage products and to adapt them to economic considerations. As a result, low initial temperatures can be set at the beginning of the polycondensation with short chains of the molecules and at a still low polymer melting point. Also arise at the beginning of the polycondensation large amounts of fission products and it is advantageous in terms of apparatus and economy to suck them with only a slight negative pressure, which also with cheaper pumps or suction emitters can work. In practice, steam or liquid radiators have proved to be particularly reliable for this aspiration, while the operation with mechanical blowers causes high investment costs, but offers the highest energy efficiency. The addition of a branching agent in this phase leads to long-chain branches, which in turn can branch again and thus have dendrimerartige or tree-like structure.
Mit
zunehmender Reaktionszeit und Reaktionstemperatur wachsen die Polymerketten,
so dass im Zwischenreaktor
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert:The Invention is explained in more detail by the following examples:
Beispiel 1example 1
Die
als kristallisiertes, pulverisiertes oder pelletisiertes Rohmaterial
angelieferten Monomeren Bisphenol A, weiterhin als BPA abgekürzt, und
Diphenylmethylphosphonat, weiterhin als DPMP abgekürzt, werden
in Vorlagebehälter
abgefüllt
und mit Hilfe von Dosierschnecken kontinuierlich in Aufschmelzer
eingebracht, die mit Wärmetauschern
und Rührwerken
ausgestattet sind. Aus den beiden Vorlagebehältern werden die durch die
Stöchiometrie
der Reaktion festgelegten aliquoten Massenströme aus aufgeschmolzenem Monomeren
in den Umesterungskessel
Beispiel 2Example 2
In
einer Versuchsanlage bestehend aus den Reaktoren in
Beispiel 3Example 3
In
einer Versuchsanlage, wie in Beispiel 1 beschrieben, wird eine Veresterungsstufe
Beispiel 4Example 4
In
einer Versuchsanlage, wie in Beispiel 1 beschrieben, wird eine Veresterungsstufe
- 11
- Veresterung-/Umesterungsreaktor – 1. StufeEsterification / transesterification reactor - 1st stage
- 22
- Kreislauf/Übergabepumpe – 1. StufeCirculation / transfer pump - 1st stage
- 33
- Umschaltventil Kreislauf/Übergabe – 1. Stufeswitching valve Circulation / transfer - 1st stage
- 44
- Rektifizierkolonne – 1. StufeRectification column - 1st stage
- 55
- Brüdenkondensator – 1. StufeVapor condenser - 1st stage
- 66
- Zwischenreaktor – 2. StufeIntermediate reactor - 2nd stage
- 77
- Kreislauf/Übergabepumpe – 2. StufeCirculation / transfer pump - 2nd stage
- 88th
- Umschaltventil Kreislauf/Übergabe – 2. Stufeswitching valve Circulation / transfer - 2nd stage
- 99
- Rektifizierkolonne Zwischenstufe – 2. Stuferectification column Intermediate level - 2. step
- 1010
- Brüdenkondensator Zwischenstufe – 2. Stufevapor condenser Intermediate level - 2. step
- 1111
- Umschaltventil Kreislauf/Übergabe – Endstufeswitching valve Circulation / transfer - power amplifier
- 1212
- Polykondensationsreaktor – EndstufePolycondensation reactor - final stage
- 1313
- Zahnradpumpe Kreislauf/Austrag – Endstufegear pump Circulation / discharge - output stage
- 1414
- Umschaltventil Kreislauf/Austrag – Endstufeswitching valve Circulation / discharge - output stage
- 1515
- Brüdenkondensator Polykondensationsreaktor – Endstufevapor condenser Polycondensation reactor - final stage
- 1616
- SammelbehälterClippings
- 1717
- Vakuum Erzeugungsstationvacuum generating station
- 1818
- Granulatorgranulator
- 1919
- Brüdenkondensator Veresterungs-/Umesterungsreaktorvapor condenser Esterification / transesterification
- 2020
- 2121
- Brüdenkondensator Polykondensationsreaktorvapor condenser polycondensation
- 2222
- Kreislauf/Übergabepumpe RektifikationCirculation / transfer pump rectification
- 2323
- Wärmetauscher Rektifikationheat exchangers rectification
- 2424
- ReaktifikationskolonneReaktifikationskolonne
- 2525
- Brüdenkondensator Rektifikationvapor condenser rectification
- 2626
- Sammelbehälter SpaltproduktCollection container fission product
- 2727
- Sammelbehälter SpaltproduktCollection container fission product
- 2828
- Sammelbehälter Monomer A–CCollection container monomer A-C
- 2929
- Sammelbehälter Monomer A–CCollection container monomer A-C
- 3030
- Sammelbehälter Monomer A–CCollection container monomer A-C
- 3131
- Förderpumpe Monomer A–Cfeed pump Monomer A-C
- 3232
- Förderpumpe Monomer A–Cfeed pump Monomer A-C
- 3333
- Förderpumpe Monomer A–Cfeed pump Monomer A-C
- 3434
- Umschaltventil Kreislauf/Sammelbehälterswitching valve Circulation / collecting tank
- 3535
- Umschaltventil Kreislauf/Sammelbehälterswitching valve Circulation / collecting tank
- 3636
- Umschaltventile Kreislauf/Sammelbehälterswitchover Circulation / collecting tank
- 3737
- Umschaltventil Kreislauf/Sammelbehälterswitching valve Circulation / collecting tank
- 3838
- Umschaltventil Kreislauf/Sammelbehälterswitching valve Circulation / collecting tank
- MM
- kontinuierliche Messung, Überwachung und Steuerungcontinuous Measurement, monitoring and control
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